Impuls Spesifik (SP) adalah ukuran seberapa efisien roket atau mesin menggunakan bahan bakar. Menurut definisi, ini adalah lonjakan total yang dikirim per unit daya yang dikonsumsi dan ukurannya setara dengan daya dorong yang dihasilkan dibagi dengan aliran massa. Jika kilogram digunakan sebagai unit propelan, maka impuls spesifik diukur dalam hal kecepatan. Jika berat dalam newton atau pound-force digunakan sebagai gantinya, maka nilai spesifiknya dinyatakan dalam waktu, paling sering dalam detik.
Mengkalikan kecepatan aliran dengan gravitasi standar akan mengubah GI menjadi massa.
Persamaan Tsiolkovsky
Impuls spesifik dari mesin bermassa lebih tinggi lebih efisien digunakan untuk menghasilkan gaya dorong ke depan. Dan jika roket digunakan, bahan bakar yang dibutuhkan lebih sedikit. Dialah yang dibutuhkan untuk delta-v ini. Menurut persamaanTsiolkovsky, dalam dorongan spesifik mesin roket, motor lebih efisien dalam pendakian, jarak dan kecepatan. Kinerja ini kurang penting dalam model reaktif. Yang menggunakan sayap dan udara luar untuk pembakaran. Dan membawa muatan yang jauh lebih berat dari bahan bakar.
Impuls spesifik mencakup gerakan yang dihasilkan oleh udara luar yang digunakan untuk pembakaran dan habis oleh bahan bakar bekas. Mesin jet menggunakan atmosfer luar untuk ini. Dan karena itu mereka memiliki UI yang jauh lebih tinggi daripada mesin roket. Konsep ini, dari sudut pandang massa bahan bakar yang dikonsumsi, memiliki satuan ukuran jarak terhadap waktu. Yang merupakan nilai buatan yang disebut "kecepatan gas buang efektif". Ini lebih tinggi dari kecepatan buang yang sebenarnya. Karena massa udara untuk pembakaran tidak diperhitungkan. Kecepatan buang aktual dan efektif adalah sama pada mesin roket yang tidak menggunakan udara atau air misalnya.
Pertimbangan umum
Jumlah bahan bakar biasanya diukur dalam satuan massa. Jika digunakan, maka impuls spesifik adalah impuls per EM, yang, seperti yang ditunjukkan oleh analisis ukuran, memiliki satuan kecepatan. Jadi UI sering diukur dalam meter per detik. Dan sering disebut sebagai kecepatan efektif knalpot. Namun, jika massa digunakan, impuls spesifik bahan bakar dibagi dengan gaya ternyata menjadi satuan waktu. Dan dorongan spesifik diukur dalam hitungan detik.
Aturan inilah yang utama di dunia modern, banyak digunakan dengankoefisien r0 (konstanta percepatan gravitasi di permukaan bumi).
Perlu dicatat bahwa laju perubahan impuls roket (termasuk bahan bakarnya) per satuan waktu sama dengan impuls dorong spesifik.
Spesifikasi
Semakin tinggi dorongan, semakin sedikit bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan gaya dorong tertentu selama waktu tertentu. Dalam hal ini, cairan lebih efektif, semakin besar UI-nya. Namun, ini tidak boleh disamakan dengan efisiensi energi, yang dapat berkurang dengan meningkatnya daya dorong, karena impuls spesifik mesin, yang memberikan hasil tinggi, membutuhkan banyak energi untuk melakukannya.
Juga, penting untuk membedakan dan tidak mengacaukan tarikan dengan dorongan tertentu. UI dibuat per unit bahan bakar yang dikonsumsi. Dan dorong adalah kekuatan sesaat atau puncak yang dihasilkan oleh perangkat tertentu. Dalam banyak kasus, sistem propulsi impuls spesifik yang sangat tinggi - beberapa instalasi ion mencapai 10.000 detik - menghasilkan daya dorong yang rendah.
Saat menghitung dorongan, hanya bahan bakar yang dibawa dengan kendaraan sebelum digunakan yang diperhitungkan. Oleh karena itu, untuk ahli kimia roket, massa akan mencakup propelan dan oksidator. Untuk mesin yang bernafas dengan udara, hanya jumlah cairan yang diperhitungkan, bukan massa udara yang melewati mesin.
Hambatan atmosfer dan ketidakmampuan pabrik untuk mempertahankan impuls spesifik yang tinggi pada laju pembakaran yang tinggi justru menjadi alasan mengapa semua bahan bakar tidak digunakan secepat mungkin.
Lebih Beratmotor dengan MI yang baik mungkin tidak seefektif pendakian, jarak, atau kecepatan seperti instrumen ringan dengan kinerja yang buruk
Jika bukan karena hambatan udara dan pengurangan konsumsi bahan bakar selama penerbangan, MI akan menjadi ukuran langsung dari efisiensi mesin dalam mengubah massa menjadi propulsi maju.
Impuls spesifik dalam hitungan detik
Unit yang paling umum untuk push tertentu adalah Hs. Baik dalam konteks SI maupun dalam kasus di mana nilai-nilai imperial atau konvensional digunakan. Keuntungan detik adalah bahwa satuan ukuran dan nilai numerik adalah sama untuk semua sistem dan pada dasarnya bersifat universal. Hampir semua pabrikan mencantumkan performa mesin mereka dalam hitungan detik. Dan perangkat semacam itu juga berguna untuk menentukan spesifikasi perangkat pesawat.
Menggunakan meter per detik untuk menemukan kecepatan buang yang efektif juga cukup umum. Blok ini intuitif ketika menggambarkan mesin roket, meskipun kecepatan pembuangan efektif perangkat mungkin berbeda secara signifikan dari yang sebenarnya. Ini kemungkinan besar karena bahan bakar dan oksidator dibuang ke laut setelah turbopump dihidupkan. Untuk mesin jet yang bernapas dengan udara, kecepatan buang efektif tidak memiliki arti fisik. Meskipun dapat digunakan untuk tujuan perbandingan.
Satuan
Nilai yang dinyatakan dalam Ns (dalam kilogram) tidak jarang dan secara numerik sama dengan kecepatan buang efektif dalam m / s (dari hukum kedua Newton dandefinisi).
Satuan ekuivalen lainnya adalah konsumsi bahan bakar spesifik. Ini memiliki satuan ukuran seperti g (kN s) atau lb/jam. Setiap unit ini berbanding terbalik dengan impuls spesifik. Dan konsumsi bahan bakar banyak digunakan untuk menggambarkan performa mesin jet.
Definisi umum
Untuk semua kendaraan, impuls spesifik (dorongan per satuan berat bahan bakar di Bumi) dalam detik dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
Untuk memperjelas situasi, penting untuk mengklarifikasi bahwa:
- F adalah gaya gravitasi standar, yang secara nominal dinyatakan sebagai daya di permukaan bumi, dalam m/s 2 (atau ft/s kuadrat).
- g adalah laju aliran massa dalam kg/s, yang tampak negatif sehubungan dengan laju perubahan massa kendaraan dari waktu ke waktu (saat bahan bakar didorong keluar).
Pengukuran
Satuan bahasa Inggris, pound, lebih umum digunakan daripada satuan lainnya. Dan juga saat menerapkan nilai ini per detik untuk laju aliran, saat mengonversi, konstanta r 0 menjadi tidak perlu. Karena secara dimensi setara dengan pound dibagi dengan g 0.
I sp dalam detik adalah waktu di mana perangkat dapat menghasilkan impuls dorong spesifik dari mesin roket, mengingat jumlah propelan yang beratnya sama dengan dorong.
Kelebihan susunan kata ini adalah dapat digunakan untukroket, di mana seluruh massa reaksi diangkut di atas kapal, serta untuk pesawat, di mana sebagian besar massa reaksi diambil dari atmosfer. Juga, ini memberikan hasil yang tidak bergantung pada satuan yang digunakan.
Impuls spesifik sebagai kecepatan (kecepatan buang efektif)
Karena faktor geosentris g 0 dalam persamaan, banyak yang lebih suka mendefinisikan daya dorong roket (khususnya) dalam bentuk gaya dorong per satuan massa aliran bahan bakar. Ini adalah cara yang sama validnya (dan dalam beberapa hal agak lebih sederhana) untuk menentukan efisiensi impuls spesifik suatu propelan. Jika kita mempertimbangkan opsi lain, situasinya akan hampir sama di semua tempat. Roket dengan impuls spesifik tertentu hanyalah kecepatan buang efektif relatif terhadap perangkat. Dua atribut dari push tertentu proporsional satu sama lain dan terkait sebagai berikut.
Untuk menggunakan rumus, Anda perlu memahami bahwa:
- I - impuls spesifik dalam hitungan detik.
- v - dorong, diukur dalam m/s. Yang sama dengan kecepatan buang efektif, diukur dalam m/s (atau ft/s, tergantung pada nilai g).
- g adalah standar gravitasi, 9,80665 m/s 2. Dalam satuan Imperial 32,174 ft/s 2.
Persamaan ini juga berlaku untuk mesin jet, tetapi jarang digunakan dalam praktik.
Perhatikan bahwa terkadang karakter yang digunakan berbeda. Misalnya, c juga dipertimbangkan untuk kecepatan buang. Sedangkan simbolsp secara logis dapat digunakan untuk UI dalam satuan N s/kg. Untuk menghindari kebingungan, disarankan untuk mencadangkannya untuk nilai tertentu, diukur dalam hitungan detik sebelum deskripsi dimulai.
Hal ini berkaitan dengan gaya dorong atau gaya gerak impuls spesifik mesin roket, rumusnya.
Di sini m adalah konsumsi bahan bakar massal, yang merupakan laju penurunan besaran kendaraan.
Minimisasi
Roket harus membawa semua propelan. Karena itu, massa makanan yang tidak terbakar harus dipercepat bersama dengan perangkat itu sendiri. Meminimalkan jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk mencapai daya dorong tertentu sangat penting untuk membangun roket yang efisien.
Rumus impuls spesifik Tsiolkovsky menunjukkan bahwa untuk roket dengan massa kosong tertentu dan sejumlah bahan bakar tertentu, perubahan kecepatan total dapat dicapai sebanding dengan kecepatan efektif gas buang.
Sebuah pesawat ruang angkasa tanpa baling-baling bergerak dalam orbit yang ditentukan oleh lintasannya dan medan gravitasi apa pun. Penyimpangan dari pola kecepatan yang sesuai (disebut v) dicapai dengan mendorong massa gas buang ke arah yang berlawanan dari perubahan yang diinginkan.
Kecepatan sebenarnya versus kecepatan efektif
Di sini perlu dicatat bahwa kedua konsep ini dapat berbeda secara signifikan. Misalnya, ketika roket diluncurkan di atmosfer, tekanan udara di luar mesin menyebabkankekuatan pengereman. Yang mengurangi impuls spesifik dan kecepatan buang efektif berkurang, sedangkan kecepatan aktual tetap praktis tidak berubah. Selain itu, terkadang mesin roket memiliki nosel terpisah untuk gas turbin. Perhitungan kecepatan buang efektif kemudian membutuhkan rata-rata dua aliran massa serta memperhitungkan tekanan atmosfer.
Meningkatkan efisiensi
Untuk mesin jet udara, khususnya turbofan, kecepatan buang aktual dan kecepatan efektif berbeda beberapa kali lipat. Ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika menggunakan udara sebagai massa reaksi, momentum tambahan yang signifikan tercapai. Hal ini memungkinkan kecocokan yang lebih baik antara kecepatan udara dan kecepatan buang, yang menghemat energi dan bahan bakar. Dan secara signifikan meningkatkan komponen efektif sekaligus mengurangi kecepatan sebenarnya.
Efisiensi Energi
Untuk roket dan mesin mirip roket seperti model ion, sp menyiratkan efisiensi energi yang lebih rendah.
Dalam rumus ini, v e adalah kecepatan pancaran aktual.
Oleh karena itu gaya yang dibutuhkan sebanding dengan setiap kecepatan buang. Pada kecepatan yang lebih tinggi, lebih banyak daya yang dibutuhkan untuk gaya dorong yang sama, menghasilkan efisiensi energi yang lebih sedikit sebesar satu unit.
Namun, total energi untuk misi tergantung pada penggunaan bahan bakar total serta berapa banyak energi yang dibutuhkan per unit. Untuk kecepatan buang rendahmengenai misi delta-v, sejumlah besar massa reaksi diperlukan. Faktanya, untuk alasan ini, kecepatan buang yang sangat rendah tidak hemat energi. Tapi ternyata tidak ada tipe yang memiliki nilai tertinggi.
Variabel
Secara teoritis, untuk delta-v tertentu, di ruang angkasa, di antara semua nilai kecepatan buang tetap, ve=0,6275 adalah energi yang paling efisien untuk massa akhir tertentu. Untuk mempelajari lebih lanjut, Anda dapat melihat energi di alat penggerak pesawat ruang angkasa.
Namun, tingkat pembuangan variabel bisa lebih hemat energi. Misalnya, jika roket dipercepat pada beberapa kecepatan awal positif menggunakan kecepatan buang yang sama dengan kecepatan produk, tidak ada energi yang hilang sebagai komponen kinetik dari massa reaksi. Saat menjadi stasioner.
